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特開2024-131244垂直共振器型発光素子

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024131244

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】垂直共振器型発光素子

(51)【国際特許分類】

H01S 5/183 20060101AFI20240920BHJP

H01S 5/343 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

H01S5/183

H01S5/343 610

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023041380

(22)【出願日】2023-03-15

(71)【出願人】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001025

【氏名又は名称】弁理士法人レクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】倉本大

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AC03

5F173AC14

5F173AC35

5F173AC42

5F173AC61

5F173AF12

5F173AF13

5F173AF92

5F173AF96

5F173AG17

5F173AH22

5F173AH47

5F173AK22

5F173AP05

5F173AP33

5F173AP45

(57)【要約】

【課題】
低閾値電流及び高発光効率の垂直共振器型発光素子を提供することを目的とする。
【解決手段】
第１の反射ミラー上に形成されたｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に形成された多重量子井戸からなる活性層と、活性層の最終量子井戸上に形成された最終バリア層と、最終バリア層上に形成された電子障壁層と、電子障壁層上に形成されたｐ型半導体層と、ｐ型半導体層上に形成された誘電体スペーサ層と、スペーサ層上に形成された第２の反射ミラーと、を有する。電子障壁層及びｐ型半導体層中に含まれる、活性層からの発光による定在波の腹の数が１であり、節の数が０又は１であり、最終バリア層内に含まれる定在波の節及び腹の数がそれぞれ１以上である。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラー上に形成されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成された多重量子井戸からなる活性層と、
前記活性層の最終量子井戸上に形成された最終バリア層と、
前記最終バリア層上に形成されたＡｌＧａＮからなる電子障壁層と、
前記電子障壁層上に形成されたｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層上に形成された誘電体スペーサ層と、
前記スペーサ層上に形成された第２の反射ミラーと、を有し、
前記電子障壁層及び前記ｐ型半導体層中に含まれる、前記活性層からの発光による定在波の腹の数及び節の数がそれぞれ０又は１であり、
前記最終バリア層及び前記活性層の層厚をそれぞれＨ_ｆｂ，Ｈ_ｑｗ、前記最終バリア層の屈折率をｎ_ｆｂ、前記活性層の等価屈折率をｎ_ｑｗとしたとき、前記活性層及び前記最終バリア層は

【数1】

を満たし、かつ、前記最終バリア層の層厚をＸｎｍ、前記電子障壁層の平均Ａｌ組成をＹ％としたとき、Ｙ≧０．１３＋１２．７を満たす垂直共振器型発光素子。

【請求項2】

前記電子障壁層は、前記活性層側に配置された第１のＡｌＧａＮ層と、前記ｐ型半導体層側に配置された第２のＡｌＧａＮ層を備え、
前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成Ｙ１％は前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成Ｙ２％より大きく、
Ｙ１≧０．１３Ｘ＋１７．５かつＹ２≧０．１３Ｘ＋５．５を満たす請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項3】

前記電子障壁層の膜厚をＺｎｍとしたとき、ＺＹ≦５００を満たす請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項4】

前記最終バリア層内に含まれる前記定在波の節及び腹の数がそれぞれ１以上である請求項1に記載の垂直共振器型発光素子

【請求項5】

前記ｐ型半導体層及び前記誘電体スペーサ層間に設けられた透明導電膜を有し、
前記透明導電膜は、前記透明導電膜中に前記定在波の節が存在するように設けられている、請求項１又は２に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項6】

前記最終バリア層は、λ／4（λ：媒質内波長）以上の層厚を有する、請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項7】

前記最終バリア層内に含まれる節の数が２以上で腹の数が１以上である、請求項１のいずれか一項に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項8】

前記活性層の層厚はλ／８（λ：媒質内波長）以下である、請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項9】

前記垂直共振器型発光素子は、閾値電流近傍において、レーザ発振に起因する微分抵抗の極小値を有する、請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項10】

前記第１の反射ミラーは半導体ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）であり、前記第２の反射ミラーは誘電体ＤＢＲである、請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項11】

第１の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラー上に形成された第１のｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成された多重量子井戸からなる活性層と、
前記活性層の最終量子井戸上に形成された最終バリア層と、
前記最終バリア層上に形成されたＡｌＧａＮからなる電子障壁層と、
前記電子障壁層上に形成されたｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層上に形成された電流狭窄層としてトンネル接合層と、
前記トンネル接合層を埋め込んで形成された第２のｎ型半導体層と、
前記第２のｎ型半導体層上に形成された第２の反射ミラーと、を有し、
前記電子障壁層及び前記ｐ型半導体層中に含まれる、前記活性層からの発光による定在波の腹の数及び節の数がそれぞれ０又は１であり、
前記最終バリア層及び前記活性層の層厚をそれぞれＨ_ｆｂ，Ｈ_ｑｗ、前記最終バリア層の屈折率をｎ_ｆｂ、前記活性層の等価屈折率をｎ_ｑｗとしたとき、前記活性層及び前記最終バリア層は

【数2】

を満し、かつ、前記最終バリア層の層厚をＸｎｍ、前記電子障壁層の平均Ａｌ組成をＹ％としたとき、Ｙ≧０．１３Ｘ＋１２．７を満たす垂直共振器型発光素子。

【請求項12】

前記電子障壁層は、前記活性層側に配置された第１のＡｌＧａＮ層と、前記ｐ型半導体層側に配置された第２のＡｌＧａＮ層を備え、
前記第１のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成Ｙ１％は前記第２のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成Ｙ２％より大きく、
Ｙ１≧０．１３Ｘ＋１７．５かつＹ２≧０．１３Ｘ＋５．５を満たす請求項１１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項13】

前記電子障壁層の膜厚をＺｎｍとしたとき、ＺＹ≦５００を満たす請求項１１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項14】

前記最終バリア層内に含まれる前記定在波の節及び腹の数がそれぞれ１以上である請求項１１に記載の垂直共振器型発光素子

【請求項15】

前記トンネル接合層は、前記トンネル接合層中に前記定在波の節が存在するように設けられている、請求項１１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項16】

前記最終バリア層は、λ／4（λ：媒質内波長）以上の層厚を有する、請求項１１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項17】

前記最終バリア層内に含まれる節の数が２以上で腹の数が１以上である、請求項１１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項18】

前記活性層の層厚はλ／８（λ：媒質内波長）以下である、請求項１１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項19】

前記垂直共振器型発光素子は、閾値電流近傍において、レーザ発振に起因する微分抵抗の極小値を有する、請求項１１に記載の垂直共振器型発光素子。

【請求項20】

前記第１の反射ミラー及び前記第２の反射ミラーは半導体ＤＢＲである、請求項１１に記載の垂直共振器型発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、垂直共振器型発光素子、特に多重量子井戸活性層を有する垂直共振器型発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、基板面に対して垂直に光を共振させ、当該基板面に垂直な方向に光を出射させる構造を有する垂直共振器面発光レーザ（VCSEL：vertical cavity surface emitting laser）などの垂直共振器型発光素子が知られている。

【0003】

垂直共振器型発光素子においては、閾値電流が低く、高効率な発光特性を得るために活性層に多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造が採用されるのが一般的である。

【0004】

また、例えば、特許文献１には、最終量子井戸層と電子障壁層との間のｐ側光ガイド層の電子およびホール濃度を下げて、内部量子効率を向上させることを目的とした構造を有する端面発光型窒化物半導体レーザ素子について記載されている。

【0005】

特許文献２には、低温における横方向のキャリア拡散を促進するために、第１～第４の半導体多層膜反射鏡を備え、半導体多層膜反射鏡のＡｌ組成又は不純物濃度が調整された面発光型半導体レーザについて記載されている。

【0006】

特許文献３には、活性領域への電流の供給を促進させ、閾値電流を低減することを目的とした垂直共振器面発光レーザについて記載されている。当該垂直共振器面発光レーザは、開口部を有する絶縁層と、開口部を被覆する透光性電極と、該透光性電極を介して開口部上に設けられた誘電体材料からなる反射鏡とを有し、絶縁層と反射鏡の間には導電性材料が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１４－１３１０１９号公報

【特許文献2】特開２００９－１９４１０２号公報

【特許文献3】特開２０１１－２９６０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

従来の垂直共振器発光素子においては、さらなる閾値電流の低減、及び発光効率の向上が課題であった。

【0009】

本願の発明者は、多重量子井戸活性層内でのホール及び電子の不均一性を改善することが素子特性の大きな向上につながることについて知見を得た。本願発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、低閾値電流及び高発光効率の垂直共振器型発光素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の１の実施態様による垂直共振器型発光素子は、
第１の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラー上に形成されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成された多重量子井戸からなる活性層と、
前記活性層の最終量子井戸上に形成された最終バリア層と、
前記最終バリア層上に形成されたＡｌＧａＮからなる電子障壁層と、
前記電子障壁層上に形成されたｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層上に形成された誘電体スペーサ層と、
前記スペーサ層上に形成された第２の反射ミラーと、を有し、
前記電子障壁層及び前記ｐ型半導体層中に含まれる、前記活性層からの発光による定在波の腹の数及び節の数がそれぞれ０又は１であり、
前記最終バリア層及び前記活性層の層厚をそれぞれＨ_ｆｂ，Ｈ_ｑｗ、前記最終バリア層の屈折率をｎ_ｆｂ、前記活性層の等価屈折率をｎ_ｑｗとしたとき、前記活性層及び前記最終バリア層は

【0011】

【数1】

【0012】

を満たし、かつ、前記最終バリア層の層厚をＸｎｍ、前記電子障壁層の平均Ａｌ組成をＹ％としたとき、Ｙ≧０．１３＋１２．７を満たしている。

【0013】

本発明の他の実施態様による垂直共振器型発光素子は、
第１の反射ミラーと、
前記第１の反射ミラー上に形成された第１のｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成された多重量子井戸からなる活性層と、
前記活性層の最終量子井戸上に形成された最終バリア層と、
前記最終バリア層上に形成されたＡｌＧａＮからなる電子障壁層と、
前記電子障壁層上に形成されたｐ型半導体層と、
前記ｐ型半導体層上に形成された電流狭窄層としてトンネル接合層と、
前記トンネル接合層を埋め込んで形成された第２のｎ型半導体層と、
前記第２のｎ型半導体層上に形成された第２の反射ミラーと、を有し、
前記電子障壁層及び前記ｐ型半導体層中に含まれる、前記活性層からの発光による定在波の腹の数及び節の数がそれぞれ０又は１であり、
前記最終バリア層及び前記活性層の層厚をそれぞれＨ_ｆｂ，Ｈ_ｑｗ、前記最終バリア層の屈折率をｎ_ｆｂ、前記活性層の等価屈折率をｎ_ｑｗとしたとき、前記活性層及び前記最終バリア層は

【0014】

【数2】

【0015】

を満たし、かつ、前記最終バリア層の層厚をＸｎｍ、前記電子障壁層の平均Ａｌ組成をＹ％としたとき、Ｙ≧０．１３＋１２．７を満たしている。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の第１の実施形態による垂直共振器面発光レーザ１０の構造を模式的に示す断面図である。

【図2】垂直共振器面発光レーザ１０の伝導帯のバンド構造を模式的に示す図である。

【図3】実施例１（Ｅｘ.１）の垂直共振器面発光レーザ１０において、活性層１５から誘電体ＤＢＲ２５までの半導体層中における定在波ＳＷを模式的に示す図である。

【図4】比較例１（Ｃｍｐ.１）の垂直共振器面発光レーザにおいて、活性層から誘電体ＤＢＲまでの半導体層中における定在波ＳＷを模式的に示す図である。

【図5】実施例１～３（Ｅｘ.１～Ｅｘ.３）の垂直共振器面発光レーザ１０及び比較例１，２（Ｃｍｐ.１，Ｃｍｐ.２）の垂直共振器面発光レーザの半導体層の層厚及び節ＮＤの数Ｎ_ＮＤ、腹ＡＮの数Ｎ_ＡＮを示す表である。

【図6A】実施例１（Ｅｘ.１）の垂直共振器面発光レーザ１０の注入電流に対する光出力を示すグラフである。

【図6B】実施例１（Ｅｘ.１）の垂直共振器面発光レーザ１０の注入電流に対する電圧を示すグラフである。

【図6C】実施例１（Ｅｘ.１）の垂直共振器面発光レーザ１０の注入電流に対する微分抵抗を示すグラフである。

【図7A】比較例１（Ｃｍｐ.１）の垂直共振器面発光レーザの注入電流に対する光出力を示すグラフである。

【図7B】比較例１（Ｃｍｐ.１）の垂直共振器面発光レーザの注入電流に対する電圧を示すグラフである。

【図7C】比較例１（Ｃｍｐ.１）の垂直共振器面発光レーザの注入電流に対する微分抵抗を示すグラフである。

【図8A】実施例１の面発光レーザ１０のレーザ発振時の各ウエル層の電子濃度分布の計算結果を示す図である。

【図8B】比較例１の面発光レーザのレーザ発振時の各ウエル層の電子濃度分布の計算結果を示す図である。

【図9】実施例２の垂直共振器面発光レーザ１０において、活性層１５から誘電体ＤＢＲ２５までの半導体層中における定在波ＳＷを模式的に示す図である。

【図10A】実施例２の面発光レーザ１０のレーザ発振時の各ウエル層の電子濃度分布の計算結果を示す図である。

【図10B】比較例２の面発光レーザのレーザ発振時の各ウエル層の電子濃度分布の計算結果を示す図である。

【図11】実施例３の面発光レーザ１０のレーザ発振時の各ウエル層の電子濃度分布の計算結果を示す図である。

【図12】本発明の第２の実施形態による垂直共振器面発光レーザ５０の構造を模式的に示す断面図である。

【図13】本発明の垂直共振器面発光レーザのｐ型半導体層の電子濃度の変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下においては、本発明の好適な実施形態について説明するが、これらを適宜改変し、組合せてもよい。また、以下の説明及び添付図面において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。

【0018】

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による垂直共振器面発光レーザ１０の構造を模式的に示す断面図である。本実施形態において、垂直共振器面発光レーザ１０は、ＧａＮ（窒化ガリウム）系の半導体層からなる窒化物面発光レーザである。

【0019】

垂直共振器面発光レーザ１０は、基板１１上に、半導体ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）１２，ｎ型半導体層１３、多重量子井戸からなる活性層１５、最終バリア層１６、電子障壁層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）１７及びｐ型半導体層１８をこの順で順次、結晶成長して形成されている。

【0020】

基板１１は、ＧａＮ基板であり、Ｃ面からＭ面方向に０．５°、Ａ面方向に０±０．１°傾斜したＣ面ＧａＮ基板である。

【0021】

有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、半導体層の結晶成長を行った。基板１１上に、層厚が約１μｍの下地ＧａＮ層１１Ｂを成長し、下地ＧａＮ層１１Ｂ上に分布ブラッグ反射鏡である半導体ＤＢＲ１２を形成した。

【0022】

半導体ＤＢＲ１２（第１の反射ミラー）は、ｎ型のＧａＮ膜及びＡｌＩｎＮ膜を４２ペア積層して形成した。なお、半導体ＤＢＲ１２の各半導体膜は、活性層１５の発光波長λのλ／４ｎ（ｎは各半導体膜の屈折率）となる膜厚を有する。

【0023】

半導体ＤＢＲ１２上に、Ｓｉ（シリコン）をドープしたｎ型ＧａＮ層であるｎ型半導体層１３（層厚：３５０ｎｍ）を成長した。

【0024】

ｎ型半導体層１３上に、障壁層（バリア層）１５Ｂ及び量子井戸層（ウエル層）１５Ｗを交互に形成し、４つの量子井戸層１５Ｗを有する活性層１５を形成した。バリア層１５ＢはＧａＩｎＮ（層厚：３ｎｍ）からなり、ウエル層１５ＷはＧａＮ（層厚：４ｎｍ）からなる。なお、バリア層１５Ｂ及びウエル層１５Ｗの組成及び層厚は所望の発光波長、発光特性等に応じて適宜選択することができる。

【0025】

活性層１５の最終層である最終ウエル層１５ＷＬ上に、最終バリア層（ＬＢ）１６としてアンドープＧａＮを１２０ｎｍの層厚で成長した。

【0026】

次に、Ｍｇ（マグネシウムをドープしたＡｌＧａＮ（Ａｌ組成：０．３０）からなり、層厚１０ｎｍを有する電子障壁層（ＥＢＬ）１７を成長した。続いて、電子障壁層１７（ｐ－ＡｌＧａＮ）上に、ｐ型半導体層１８としてｐ－ＧａＮ層を８３ｎｍ成長した。

【0027】

以上のようにして成長したウエハをｎ型半導体層１３の内部に至るように外周部をエッチングして円柱状のメサ構造を形成した。

【0028】

当該メサ構造の最上層の半導体層であるｐ型半導体層１８をドライエッチングでおよそ２０ｎｍの深さで外周部をエッチングして凹部を形成し、円柱状メサ凸部を有するｐ型半導体層１８を形成した。

【0029】

エッチングによって形成されたｐ型半導体層１８の凹部に横方向電流および光閉じ込めのための絶縁膜（ＳｉＯ_２）２１を２０ｎｍの厚さで堆積した。これによりｐ型半導体層１８の凹部は平坦化されるとともに、電流狭窄構造が形成され、円柱状（中心軸：ＣＸ）の電流注入領域が形成された。

【0030】

次に、ｐ型半導体層１８及び絶縁膜２１上に、透明導電膜２２としてＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜を２０ｎｍの厚さで成膜した。

【0031】

続いて、スペーサ層２４として誘電体（Ｎｂ_２Ｏ_５）を３８ｎｍの厚さで成膜した。スペーサ層２４は、位相調整層として機能する。

【0032】

さらにスペーサ層２４上に、誘電体ＤＢＲ２５（第２の反射ミラー）を成膜した。誘電体ＤＢＲ２５は、ＳｉＯ_２（１１層）及びＮｂ_２Ｏ_５（１０層）の１０．５ペアからなる。なお、誘電体ＤＢＲ２５は、ｐ型半導体層１８の円柱状メサと共軸であるように形成されることが好ましい。

【0033】

次に、ｎ型半導体層１３の外周部の凹部上にｎ電極２７を、透明導電膜２２上にｐ電極２８を形成した。また、基板１１の裏面を研磨し、Ｎｂ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２の２層からなるＡＲ（無反射）コーティング２９を形成した。以上により、垂直共振器面発光レーザ１０の形成が完了した。

【0034】

なお、上記した最終バリア層（ＬＢ）１６の組成及び層厚は例示に過ぎない。すなわち、最終バリア層１６をＧａＮ層として説明したが、他の組成の窒化物半導体層、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどを用いてもよい。また、最終バリア層１６はアンドープ層としたが、電子障壁層１７又はｐ型半導体層１８から拡散したドーパントが混入していてもよい。

【0035】

また、電子障壁層１７の組成及び層厚は例示に過ぎない。電子障壁層１７は、例えば３～３０ｎｍの層厚を有していてもよく、Ａｌ組成は１０～７０％の範囲内で調整してもよい。

【0036】

電子障壁層１７はｐ型半導体層（ｐ－ＡｌＧａＮ）として説明したが、ｉ層として成長し、ｐ型半導体層１８から拡散したドーパントが混入したｐ型半導体層であってもよい。

【0037】

また、活性層１５が４つの量子井戸層１５Ｗを有する場合を例示したが、複数の量子井戸層を有していればよい。

【0038】

さらに、ｐ型半導体層１８は、互いに組成及び／又はドープ濃度の異なる層、及びアンドープ層を含む複数の半導体層から構成されていてもよい。また、ｎ－半導体層１３も同様に、複数の半導体層から構成されていてもよい。

【0039】

誘電体ＤＢＲ２５が、ＳｉＯ_２膜及びＮｂ_２Ｏ_５膜からなる場合について例示したが、他の組み合わせによる屈折率が互いに異なる誘電体膜から構成されていてもよい。また、屈折率が互いに異なる半導体膜から構成された半導体ＤＢＲにより構成されていてもよい。

【0040】

図２は、垂直共振器面発光レーザ１０の伝導帯のバンド構造を模式的に示す図である。なお、活性層１５からｐ型半導体層１８までのバンド構造について示している。

【0041】

活性層１５は、ＱＷ１～ＱＷ４の４つのウエル層１５Ｗとそれらの間に設けられたバリア層１５Ｂとからなる。最終バリア層（ＬＢ）１６に隣接する量子井戸層ＱＷ４が最終ウエル層１５ＷＬである。

【0042】

最終バリア層１６は層厚ｔ１を有し、電子障壁層１７は層厚ｔ２を有し、ｐ型半導体層１８は層厚ｔ３を有している。

【0043】

［高効率な垂直共振器型発光素子の条件］
本願の発明者は、内部損失が小さく、高効率な垂直共振器型発光素子の満たすべき条件について知見を得た。

【0044】

すなわち、まずＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）又は回折格子等の高反射ミラーと共振器内部の最初の界面を位相０”（基準）と定義する。

【0045】

共振器中の各層の屈折率ｎ_ｉと層厚ｔ_ｉ、及び発光波長λを用いて、共振器中の定在波の合計位相情報は、以下の式（１）で表される。

【0046】

【数3】

【0047】

なお、層内部での所定位置での定在波の合成情報は、共振器側の他の層との界面から所定位置までの厚みをｔ_ｉと置き換えて考える。

【0048】

そして、第１の条件は、ｐ領域であるｐ型半導体層１８及び電子障壁層１７に含まれる定在波ＳＷの腹ＡＮの数Ｎ_ＡＮ及び節ＮＤの数Ｎ_ＮＤはそれぞれ０又は１（Ｎ_ＡＮ＝０又はＮ_ＡＮ＝１、Ｎ_ＮＤ＝０又はＮ_ＮＤ＝１）である。

【0049】

なお、透明導電膜２２（ＩＴＯ）、ｐ型半導体層１８及び電子障壁層１７の各層厚をＨ_ＩＴＯ，Ｈ_ＧａＮ，Ｈ_ＥＢ，各屈折率をｎ_ＩＴＯ，ｎ_ＧａＮ，ｎ_ＥＢとし、波長をλとしたとき、以下の式（２）を満たすことが好ましい。

【0050】

【数4】

【0051】

さらに、第２の条件は、最終バリア層１６内に含まれる定在波ＳＷの節ＮＤ及び腹ＡＮの数がそれぞれ１以上（Ｎ_ＮＤ≧１及びＮ_ＡＮ≧１）である。

【0052】

なお、定在波ＳＷの節ＮＤ及び腹ＡＮの数Ｎ_ＮＤ、Ｎ_ＡＮは、上記式（１）を用い、ｐ領域及び最終バリア層１６における合計位相をそれぞれ算出し、ｐ領域及び最終バリア層１６中において位相がｋπ（ｋ＝１，２，・・・）である数、及び、位相が（２ｌ－１）π／２（ｌ＝１，２，・・・）である数から求めることができる。

【0053】

式(１)=ｋ/2（ｋ＝１，２，・・・）となるのは定在波が腹ＡＮとなる位置を示し、式(１)=(2l-1)/４（l＝１，２，・・・）は定在波が節ＮＤとなる位置を示す。すなわちｐ型半導体層１８及び電子障壁層１７および最終バリア層１６内のＮ_ＮＤ、Ｎ_ＡＮは、各層の積層範囲内に上記の腹ＡＮ、節ＮＤとなる位置が各々いくつ含まれるかをカウントすることで求められる。

【0054】

また、最終バリア層１６及び活性層１５の層厚をそれぞれＨ_ｆｂ，Ｈ_ｑｗとしたとき、以下の式（３）を満たすことが好ましい。ここで、ｎ_ｆｂは最終バリア層１６の屈折率、ｎ_ｑｗは活性層１５の等価屈折率である。

【0055】

【数5】

【0056】

さらに、(i)最終バリア層１６がλ／４以上の層厚を有することが好ましい。すなわち、以下の式（４）を満たすことが好ましい。

【0057】

【数6】

【0058】

また、(ii)最終バリア層１６内に含まれる節ＮＤの数が２つ以上（Ｎ_ＮＤ≧２）、腹ＡＮの数が１以上（Ｎ_ＡＮ≧１）であることが好ましい。 (i)及び(ii)を満たす場合においては、さらに、以下の式（５）を満たすことが好ましい。

【0059】

【数7】

【0060】

また、活性層１５の層厚はλ／８以下、すなわち以下の式（６）を満たすことが好ましい。この場合、活性層１５の光閉じ込め損失を減らすことができる。

【0061】

【数8】

【0062】

以上のように構成することで、ｐ型半導体層１８から電子障壁層１７への光の電界強度が強まる。また、最終バリア層１６内に光の電界強度の高い腹ＡＮが存在し、かつ少なくとも１つの節ＮＤが存在することにより、大きな光利得が得られる程度に活性層１５が励起される。

【0063】

さらに、高反射ミラーである半導体ＤＢＲ１２及び誘電体ＤＢＲ２５によって内部の光強度が強まった場合に、最終バリア層１６での電子及びホールが内部光によって励起され、電子障壁層１７とｐ型半導体層１８との界面に溜まったホールが活性層１５に引き抜かれ、活性層１５へのスイッチング的なホール注入が生じる。

【0064】

その結果、活性層１５の複数のウエル層１５Ｗのそれぞれのキャリア（電子及びホール）の均一性が改善され、効率のよい、面発光レーザを実現することができる。

【0065】

［特性改善のメカニズムの考察］
以上のように構成することで、活性層１５のウエル層１５Ｗのそれぞれのキャリア（電子及びホール）の均一性が改善され、効率のよい、面発光レーザを実現することができる。このように効率等の特性を向上させることができるメカニズムについて考察する。

【0066】

特性改善のメカニズムは、多重量子井戸のキャリア不均一性を解消するために、ホールをスイッチング的に注入していることと関連していると考えられる。本面発光レーザでは、活性層（多重量子井戸）の中央に定在波の腹を合わせて設計する。すなわち、光の電界が大きいところに活性層を配置することで光と電子ホール再結合との相互作用を大きくする。

【0067】

したがって、活性層１５に隣接する最終バリア層１６は、光の電界強度が減る方向になる。ところが、上記のように活性層とは異なる定在波の腹が位置する、もしくは腹の近傍まで含むような最終バリア層１６を配置することで、閾値近傍でこの層の光強度が大幅に上昇し、キャリア（電子とホール）が生成され、電子障壁層１７のp型半導体層１８側にあるホールを一気に引き込む効果があると推測される。この引き込みは、ｐ領域の電気的な電界傾斜が高い場合に起こりやすい。

【0068】

この効果は、p型半導体層１８側にたまるホール濃度が大きくなることと、電子障壁層１７の電気的な電界傾斜が大きくなることに起因していると考えられる。ホールの引き込みスイッチングすると、多重量子井戸のキャリア分布の均一性が改善し、内部損失が低減すると考えられる。したがって、場合によっては、レーザ発振に起因して、閾値近傍で微分抵抗及び駆動電流の極小値（ｄＲ／ｄＩ＝０，ｄ^２Ｖ／ｄＩ^２＝０）のような通常の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の特性では見られない特性が得られる場合がある。したがって、最終バリア層１６の腹の位置とｐ層（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８）の薄膜化と高反射ミラーによる垂直方向の強い光のフィードバックと光利得が存在するような光強度が重要なファクターとなる。

【0069】

［実施例１］
図３は、本実施形態の実施例１（Ｅｘ.１）の垂直共振器面発光レーザ１０において、活性層１５から誘電体ＤＢＲ２５までの半導体層中における活性層１５からの発光の電界強度の定在波ＳＷを模式的に示す図である。

【0070】

実施例１（Ｅｘ.１）において、最終バリア層１６内には定在波ＳＷの節（node）ＮＤと腹（anti-node）ＡＮとがそれぞれ１つずつ存在している。すなわち、節ＮＤの数をＮ_ＮＤ、腹ＡＮの数をＮ_ＡＮとすると、Ｎ_ＮＤ＝１，Ｎ_ＡＮ＝１である。なお、誘電体ＤＢＲ２５による高反射ミラー界面Ａでは、図３に示すように、定在波ＳＷの腹ＡＮの位置になる。

【0071】

また、p領域である電子障壁層（ＥＢＬ）１７及びｐ型半導体層（ｐ－ＧａＮ）１８には、定在波ＳＷの節ＮＤ及び腹ＡＮがそれぞれ１つずつ存在している（Ｎ_ＮＤ＝１，Ｎ_ＡＮ＝１）。さらに、透明導電膜（ＩＴＯ）２２内には、定在波ＳＷの節ＮＤが１つ存在している（Ｎ_ＮＤ＝１）ことが好ましい。

【0072】

このように構成することで、ｐ型半導体層１８から電子障壁層１７への電気的な電界強度が強まる。また、最終バリア層１６内に光の電界強度の高い腹が存在し、かつ少なくとも１つの節が存在することにより、大きな光利得が得られる程度に活性層１５が励起される。

【0073】

【0074】

その結果、４つのウエル層１５Ｗ（ＱＷ１～ＱＷ４）のキャリア（電子及びホール）の均一性が改善され、効率のよい、面発光レーザを実現することができる。

【0075】

［比較例１］
図４は、比較例１（Ｃｍｐ.１）の垂直共振器面発光レーザにおいて、活性層１５から誘電体ＤＢＲ２５までの半導体層中における光の電界強度の定在波ＳＷを模式的に示す図である。また、図５は、本実施形態の実施例１～３（Ｅｘ.１～Ｅｘ.３）の垂直共振器面発光レーザ１０及び比較例１，２（Ｃｍｐ.１，Ｃｍｐ.２）の垂直共振器面発光レーザの半導体層の層厚及び節ＮＤの数Ｎ_ＮＤ、腹ＡＮの数Ｎ_ＡＮを示す表である。

【0076】

比較例１（Ｃｍｐ.１）の垂直共振器面発光レーザは、最終バリア層（ＬＢ）１６の層厚が１０ｎｍである点において実施例１（Ｅｘ.１）の垂直共振器面発光レーザ１０と大きく異なる。すなわち、比較例１の垂直共振器面発光レーザにおいては、最終バリア層１６内に定在波ＳＷの節ＮＤ及び腹ＡＮが存在しない（Ｎ_ＮＤ＝０，Ｎ_ＡＮ＝０）。図５に記載の膜厚の違い以外は、実施例1と共通の構成となっている。

【0077】

図６Ａ，６Ｂ，６Ｃは、実施例１（Ｅｘ.１）の垂直共振器面発光レーザ１０の測定結果であり、それぞれ注入電流に対する光出力、電圧、微分抵抗の特性を示すグラフである。また、図７Ａ，７Ｂ，７Ｃは、比較例１（Ｃｍｐ.１）の垂直共振器面発光レーザの測定結果であり、それぞれ注入電流に対する光出力、電圧、微分抵抗の特性を示すグラフである。

【0078】

図６Ａに示すように、実施例１（Ｅｘ.１）の垂直共振器面発光レーザ１０においては低閾電流でのレーザ発振特性が確認された。また、下記の表１（Table 1）に示すように、比較例１（Ｃｍｐ.１）の垂直共振器面発光レーザに比べて、スロープ効率、外部微分量子効率が改善された。

【0079】

【表1】

【0080】

表１に示すように、比較例１では、実施例１に比べて、スロープ効率、外部微分量子効率が低い。解析の結果、比較例１のレーザの内部損失が実施例１に比べて高いことが分かった。なお、比較例１のレーザの内部損失は、従来報告されている内部損失と同等の値であった。また、比較例１のＩ－Ｖ特性も従来技術の文献等に記述されているＩ－Ｖ特性と同様なふるまいを示しており、従来技術においては閾値電流付近の微分抵抗の極小値や負抵抗は見られていない。

【0081】

具体的には、図６Ｂ、６Ｃに示すように、本実施形態の垂直共振器面発光レーザ１０においては、閾値電流付近で、電圧変動がみられるデバイスもあった。閾値電流付近で微分抵抗が急激に低下して、微分抵抗及び駆動電流が極小値を持つ場合があることが分かった（ｄＲ／ｄＩ＝０，ｄ^２Ｖ／ｄＩ^２＝０、Ｒ：抵抗、Ｉ：電流）。また、さらに激しい場合は、微分抵抗が負の領域に入る場合がある。

【0082】

このような特性は、従来の面発光レーザでは見られない。本実施形態の垂直共振器面発光レーザ１０においては、ｐ領域（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８）の厚さが薄く、ｐ領域層に大きな電気的な電界がかかっている状態で、電子障壁層１７とｐ型半導体層１８（ｐ－ＧａＮ）との界面に溜まったホールが、最終バリア層１６で生成された電子・ホールに誘因されて一気に活性層１５に流れこんでいると考えられる。このことが、多重量子井戸間のキャリア濃度の均一性を促進して、内部損失、外部微分量子効率、スロープ効率の改善ができ、閾値電流付近での微分抵抗の低減や極小値を得ている。

【0083】

より詳細には、内部損失の低減は、各ウエル層１５Ｗのキャリア密度の分布が均一化したためと考えられる。図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ実施例１及び比較例１の面発光レーザのレーザ発振時の各ウエル層１５Ｗのキャリア密度（電子濃度）分布の計算結果を示している。

【0084】

図８Ａ及び図８Ｂは、最もキャリア密度が低いウエル層（ＱＷ２）を１として電子濃度を規格化して示している。比較例１では、不均一性が３倍以上であるが、実施例１では、約２倍まで抑えられていることが分かる。この不均一性によって、最も低いキャリア密度のウエル層（ＱＷ２）で光学ロスを生じるため、内部損失が大きくなると考えられる。

【0085】

なお、従来の面発光レーザにおいて、外部微分量子効率が低く、レーザ発振前の微分抵抗が高いのは、有効質量の大きいホールやピエゾ電界の存在により、ホールが動きにくく、多重量子井戸層内でのホール及び電子の不均一性が生じているためと考えられる。

【0086】

比較例１においては、ｐ領域（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８）には、節ＮＤ及び腹ＡＮがそれぞれ１つ存在し（Ｎ_ＮＤ＝１，Ｎ_ＡＮ＝１）、第１の条件を満たしているが、最終バリア層１６内には節ＮＤ及び腹ＡＮが存在せず（Ｎ_ＮＤ＝０，Ｎ_ＡＮ＝０）、第２の条件を満たしていない。第１の条件及び第２の条件を満たすことが重要である。

【0087】

以上、説明した効果により、本実施形態の垂直共振器面発光レーザ１０においては、内部損失が低減する効果が得られ、また閾値電流付近で微分抵抗の低減が起こる。また、閾値電流付近で、微分抵抗及び駆動電流が極小値（ｄＲ／ｄＩ＝０，ｄ^２Ｖ／ｄＩ^２＝０）を有する場合もある。

【0088】

レーザ発振前の発光スペクトルや利得スペクトルは、フェルミディラック分布関数に従って、高エネルギー側にも広く分布することができ、発振波長より高エネルギー（短波長）側に利得ピーク、発光ピークを有することが好ましい。さらに、量子井戸に第２準位（伝導帯における量子準位）が形成されるように、例えば４ｎｍ以上の厚い井戸層厚にすることも好ましい。

【0089】

なお、発光ピークが高エネルギー側にあるかどうかは、発振前の光スペクトルを確認し、発振波長より短波長側の光強度、またはエネルギーが大きいことを観測して確認することができる。また、このホール注入効果を利用して、レーザ発振前の電流に固定したまま、光励起をすることで、光スイッチ現象を引き起こすことが容易にできたり、面発光レーザでセルフパルセーション動作を起こすこともできる。

【0090】

光スイッチ現象を利用する場合は、不図示で垂直共振器面発光レーザ１０に接続された電源により閾値電流を少し下回る電流が供給され、外部から光が垂直共振器面発光レーザ１０に照射されるようにする。外部からの光は垂直共振器面発光レーザ１０とは別の光源を使用することで照射できる。

【0091】

［実施例２］
実施例１（Ｅｘ.１）においては、最終バリア層１６内には定在波ＳＷの節ＮＤ及び腹ＡＮがそれぞれ１つずつ存在し（Ｎ_ＮＤ＝１，Ｎ_ＡＮ＝１）、ｐ領域（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８）に節ＮＤ及び腹ＡＮがそれぞれ１つずつ存在（Ｎ_ＮＤ＝１，Ｎ_ＡＮ＝１）している場合について説明した。

【0092】

図９を参照して実施例２（Ｅｘ.２）の垂直共振器面発光レーザ１０の構造について説明する。図９は、実施例２の垂直共振器面発光レーザ１０において、活性層１５から誘電体ＤＢＲ２５までの半導体層中における光の電界強度の定在波ＳＷを模式的に示す図である。

【0093】

なお、図５に示すように、実施例２においては、最終バリア層１６の層厚は７０ｎｍであり、実施例１の１２０ｎｍよりも薄い。また、ｐ領域の層厚（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８の合計層厚）は６５ｎｍ（２０＋４５ｎｍ）であり、実施例１の９３ｎｍ（１０＋８３ｎｍ）よりも薄い。

【0094】

また、電子障壁層１７のＡｌ組成は０．１５とした。上記の点以外については実施例１と同様である。

【0095】

実施例２の垂直共振器面発光レーザ１０においては、最終バリア層１６内には節ＮＤ及び腹ＡＮがそれぞれ１つずつ存在し（Ｎ_ＮＤ＝１，Ｎ_ＡＮ＝１）、ｐ領域（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８）に腹ＡＮが１つ存在し、節ＮＤは存在しない（Ｎ_ＡＮ＝１，Ｎ_ＮＤ＝０）。

【0096】

［比較例２］
比較例２（Ｃｍｐ.２）の垂直共振器面発光レーザは、ｐ領域の層厚（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８の合計層厚）３９７ｎｍ（１０＋３８７ｎｍ）と厚い点において、実施例１（ｐ領域の層厚：９３ｎｍ）及び実施例２（ｐ領域の層厚：６５ｎｍ）の垂直共振器面発光レーザ１０と大きく異なる。上記の点以外については実施例1と同様である。

【0097】

図５に示すように、比較例２の垂直共振器面発光レーザにおいては、最終バリア層１６内に定在波ＳＷの節ＮＤ及び腹ＡＮがそれぞれ１つ及び２つ存在する（Ｎ_ＮＤ＝１，Ｎ_ＡＮ＝２）。また、ｐ領域（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８）には、節ＮＤ及び腹ＡＮがそれぞれ４つ存在する（Ｎ_ＮＤ＝４，Ｎ_ＡＮ＝４）。

【0098】

すなわち、上記した第２の条件（最終バリア層１６内に含まれる節ＮＤ及び腹ＡＮの数）は満たしているが、第１の条件（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８内に含まれる節ＮＤ及び腹ＡＮの数）は満たしていない。

【0099】

図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ実施例２及び比較例２の面発光レーザのレーザ発振時の各ウエル層１５Ｗのキャリア密度（電子濃度）分布の計算結果を示している。

【0100】

図１０Ａ及び図１０Ｂは、最もキャリア密度が低いウエル層（ＱＷ２）を１として規格化して示している。比較例２では、不均一性が３．５倍以上であるが、実施例２では、約２倍まで抑えられていることが分かる。

【0101】

この不均一性によって、最も低いキャリア密度のウエル層（ＱＷ２）で光学ロスを生じるため、内部損失が大きくなると考えられる。

【0102】

以上から、最終バリア層の条件（第２の条件）を満たしただけでは、効率のよい面発光レーザは得られないことが分かる。

【0103】

また、若干だが実施例2のほうが実施例1よりもキャリアの均質性が高く、電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８ではＮ_ＮＤ＝１，Ｎ_ＡＮ＝１よりもＮ_ＮＤ＝０，Ｎ_ＡＮ＝１のほうが好ましい。

【0104】

［実施例３］
図５に示すように、実施例３（Ｅｘ.３）においては、最終バリア層１６の層厚は２２０ｎｍであり、実施例１の１２０ｎｍよりも厚い。また、ｐ領域の層厚（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８の合計層厚）は１０１ｎｍ（２０＋８１ｎｍ）であり、実施例１の９３ｎｍ（１０＋８３ｎｍ）よりも厚い。また、電子障壁層１７のＡｌ組成は０．１５とした。上記の点以外については実施例1と同様である。

【0105】

実施例３においては、最終バリア層１６が厚いことを反映して、最終バリア層１６内には節ＮＤ及び腹ＡＮがそれぞれ２つずつ存在する（Ｎ_ＮＤ＝２，Ｎ_ＡＮ＝２）。また、ｐ領域（電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８）には節ＮＤ及び腹ＡＮがそれぞれ１つずつ存在する（Ｎ_ＮＤ＝１，Ｎ_ＡＮ＝１）。

【0106】

図１１は、実施例３の面発光レーザ１０のレーザ発振時の各ウエル層１５Ｗのキャリア密度（電子濃度）分布の計算結果を示している。

【0107】

比較例１及び比較例２に比べて、大きく均一性が改善していることが確認された。また、実施例３では、実施例１に比べ若干改善されており、最終バリア層の腹ＡＮ及び節ＮＤの数を増やす構成、すなわちＮ_ＮＤおよび/もしくはＮ_ＡＮが2以上の構成においても目的とする高効率な面発光レーザを実現することが可能であることが分かった。

【0108】

従って、最終バリア層内の腹ＡＮ及び節ＮＤの数が不足している場合（比較例１）やｐ領域の腹ＡＮ及び節ＮＤの数が多すぎる場合（比較例２）は効果はないが、上記した第１及び第２の条件を満たす場合に、ホール注入のスイッチングが起こり、量子井戸活性層の各ウエル層間のキャリア不均一性に伴う面発光レーザの効率低下を解消し、高効率な面発光レーザを提供することができる。

【0109】

［第２の実施形態］
図１２は、本発明の第２の実施形態による垂直共振器面発光レーザ５０の構造を模式的に示す断面図である。本実施形態の垂直共振器面発光レーザ５０は、電流狭窄構造としてトンネル接合を有している。

【0110】

垂直共振器面発光レーザ５０は、第１の実施形態による垂直共振器面発光レーザ１０の実施例１と同様の構成を有する窒化物面発光レーザである。

【0111】

すなわち、垂直共振器面発光レーザ５０は、基板１１上に、半導体ＤＢＲ１２，ｎ型半導体層１３、多重量子井戸からなる活性層１５、最終バリア層１６、電子障壁層（ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）１７及びｐ型半導体層１８をこの順で順次、結晶成長して形成されている。また、各半導体層の組成、層厚、不純物濃度なども垂直共振器面発光レーザ１０と同様である。

【0112】

第２の実施形態による垂直共振器面発光レーザ５０においては、ｐ型半導体層１８を成長後、ｐ^＋－ＧａＮである高不純物濃度のｐ型半導体層３１Ａ及びｎ^＋－ＧａＮである高不純物濃度のｎ型半導体層３１Ｂからなるトンネル接合層３１を成長する。

【0113】

次に、トンネル接合層３１の上面からｐ型半導体層１８の内部に至るように、トンネル接合層３１及びｐ型半導体層１８を円柱状にエッチングして円柱メサ構造を形成する。

【0114】

例えば、トンネル接合層３１の層厚は２０ｎｍであり、円柱メサ構造の直径は４μｍである（中心軸ＣＸ）。また、メサ構造の形成はドライエッチングを用い、トンネル接合層３１と、ｐ型半導体層１８を例えば２５ｎｍの深さでエッチングする。

【0115】

その後、再び、ＭＯＶＰＥ装置によりｎ－ＧａＮであるｎ型半導体層３２（第２のｎ型半導体層）を成長し、トンネル接合層３１を埋め込む。

【0116】

続いてｎ－ＡｌＩｎＮ及びｎ－ＧａＮからなる半導体ＤＢＲ３５（第２のＤＢＲ）を形成する。半導体ＤＢＲ３５は、例えば、ｎ－ＡｌＩｎＮ／ＧａＮの４６ペアからなる。

【0117】

次に、ウエハをｎ型半導体層１３の内部に至るように外周部をエッチングし、トンネル接合層３１の中心軸ＣＸと同軸の円柱状メサ構造の面発光レーザとして形成した。

【0118】

次に、ｎ型半導体層１３の外周部の表面上にｎ電極２７を形成した。また、上面視（半導体ＤＢＲ３５に垂直な方向から見た場合）において、トンネル接合層３１よりも大きな直径を有し、中心軸ＣＸと同軸の円形状の開口を有するｐ電極３６を半導体ＤＢＲ３５上に形成した。

【0119】

さらに、基板１１の裏面を研磨し、Ｎｂ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２の２層からなるＡＲ（無反射）コーティング２９を形成した。以上により、垂直共振器面発光レーザ１０の形成が完了した。

【0120】

なお、トンネル接合層３１は、ｐ^＋－ＧａＮ層及びｎ^＋－ＧａＮ層で構成したが、他の組成の半導体層、例えばＧａＩｎＮなどを用いても良い。ｐ^＋－ＧａＮ層は例えばＭｇを不純物（ドーパント）として用いることができる。また、Ｍｇのドーピング濃度は、４×１０^１９ｃｍ^３以上が好ましい。ｎ^＋－ＧａＮ層又はｎ^＋－ＧａＩｎＮ層については、１×１０^１８ｃｍ^３以上の高ドーピングが好ましい。

【0121】

［第１の実施形態との対応関係］
第２の実施形態による垂直共振器面発光レーザ５０における第１及び第２の条件は、第１の実施形態の場合と同様に考えることができる。

【0122】

具体的には、第２の実施形態による垂直共振器面発光レーザ５０においては、半導体ＤＢＲ３５とｎ型半導体層３２との界面が位相基準（０）に対応する。基準では定在波は腹が位置する。

【0123】

また、ｎ型半導体層３２（第２のｎ型半導体層）が第１の実施形態におけるスペーサ層２４に対応する。より詳細には、トンネル接合層３１と半導体ＤＢＲ３５との間のｎ型半導体層３２の部分が第１の実施形態におけるスペーサ層２４に対応する。

【0124】

さらに、トンネル接合層３１が第１の実施形態における透明導電膜（ＩＴＯ）２２に対応し、トンネル接合層３１内に定在波ＳＷの節ＮＤが１つ存在する（Ｎ_ＮＤ＝１）ことが好ましい。

【0125】

また、ｐ領域である電子障壁層１７及びｐ型半導体層１８内に含まれる定在波ＳＷの節ＮＤ及び腹ＡＮの数の条件（第１の条件）、及び、最終バリア層１６内に含まれる節ＮＤ及び腹ＡＮの数の条件（第２の条件）は、第１の実施形態における条件と同じである。

【0126】

上述の実施例においては、p型半導体層１８及び電子障壁層１７に含まれる定在波の腹及び節の数、並びに最終バリア層１６内に含まれる定在波の節及び腹の数に基づく各層の層厚について説明した。

【0127】

当該説明してきた条件に基づけば、最終バリア層１６の厚さｔ１がある程度以上の厚さ必要である。しかしながら、電子障壁層１７のＡｌ組成を維持したまま最終バリア層１６の厚さだけを大きくすると最終バリア層１６においてポテンシャルドロップが発生し、最終バリア層１６及び電子障壁層１７のバリア層としての実効性が落ちて、活性層１５への電子注入効率が下がることが本願発明者によって見いだされた。

【0128】

最終バリア層１６及び電子障壁層１７のバリア層としての機能を維持するには、電子障壁層１７のＡｌ組成を最終バリア層１６の厚さが大きいほど高い値に設定するのが好ましい。

【0129】

図１３に、最終バリア層１６の厚さが厚くなることによって生起するポテンシャルドロップによって発生するｐ型半導体層１８の電子濃度の変化のグラフを示す。図１３のグラフにおいては、横軸を最終バリア層１６の厚さ、縦軸をｐ型半導体層１８の電子濃度としている。また、このグラフは、電子障壁層１７のＡｌ組成を１３％に固定した場合を示している。なお、図１３のｐ型半導体層電子濃度の縦軸の数値表記が、例えば「１．０Ｅ＋１１」等となっているのは、「１．０×１０^１１」等を意味する。

【0130】

グラフに示すように、最終バリア層１６が無い場合に１．０×１０^１１であるp型半導体層１８の電子濃度が、最終バリア層１６の厚さが４０ｎｍになると６．７×１０^１３となり、最終バリア層１６の厚さが１３０ｎｍになると１．２８×１０^１４となっている。この表からも最終バリア層１６が厚くなることによるポテンシャルドロップの影響が理解できる。

【0131】

なお、最終バリア層１６の厚さが４０ｎｍの場合に、p型半導体層１８の電子濃度を最終バリア層１６が無い場合の１．０×１０^１１まで下げるためには、電子障壁層１７のＡｌ組成を１８％とすればよく、最終バリア層１６の厚さが１３０ｎｍの場合には３０％とすればよいことが本願発明者によって見出されている。

【0132】

このことから、最終バリア層１６の厚さを増しつつ最終バリア層１６及び電子障壁層１７によるバリア効果を維持するためには、最終バリア層１６の層厚が４０ｎｍ以上の場合に、最終バリア層１６の膜厚ｔ１をＸとし電子障壁層１７の平均Ａｌ組成をＹ％とした際に、Ｙ≧０．１３Ｘ＋１２．７の関係が成立することが好ましいことが見いだされた。以下、Ｙ≧０．１３Ｘ＋１２．７の関係が成立することを関係１が成立するという。

【0133】

その一方で、電子障壁層１７のＡｌ組成を高くした場合、電子障壁層１７にクラックが入りやすくなってしまう。これに対し、電子障壁層１７のＡｌ組成を維持して電子注入効率を維持しつつクラックを防止するために、電子障壁層１７の活性層１５側のＡｌ組成を高めて、ｐ型半導体層１８側のＡｌ組成を下げる構成とすることが効果的であることが分かった。

【0134】

具体的には、例えば、電子障壁層１７を、最終バリア層１６に隣接する、すなわち活性層１５側の第１の層と、p型半導体層１８に隣接し、すなわちp型半導体層１８側にありかつ第１の層よりもＡｌ組成の小さい第２の層と、のＡｌ組成の異なる２つの層から構成することが考えられる。

【0135】

さらに、この電子障壁層１７をＡｌ組成の異なる２層構成にするに際し、最終バリア層１６の膜厚ｔ１をＸとし、活性層１６側の電子障壁層１７の１層目の平均Ａｌ組成をＹ１％とすると、Ｙ１＞Ｙ２となり、Ｙ１≧０．１３Ｘ＋１７．５となり、かつｐ型半導体層１８側の電子障壁層１７の２層目の平均Ａｌ組成をＹ２％とすると、Ｙ２≧０．１３Ｘ＋５．５となるようにＡｌ組成を設定することが好ましいことが見いだされた。以下、Ｙ１≧０．１３Ｘ＋１７．５かつＹ２≧０．１３Ｘ＋５．５の関係が成り立つことを関係２が成り立つという。

【0136】

【表2】

【0137】

表２は、上記した関係１を満たす垂直共振器面発光レーザ１０であるサンプル１、関係１及び２を満たすサンプル２及びサンプル３、並びに比較例１乃至３の最終バリア層１６の膜厚、電子障壁層１７の平均Ａｌ組成及び電子注入効率を示す表である。サンプル１、サンプル２、サンプル３及び比較例１乃至３は、最終バリア層１６の層厚と電子障壁層１７の構成以外は全て共通している。また、サンプル１、サンプル２、サンプル３及び比較例１乃至３の電子障壁層１７の層厚は１０ｎｍとしている。

【0138】

サンプル１は、最終バリア層１６の層厚が１３０ｎｍであり、電子障壁層１７の平均Ａｌ組成が関係１を満たす３０％となっている。サンプル２は、最終バリア層１６の層厚が１３０ｎｍであり、電子障壁層１７の平均Ａｌ組成が関係１を満たしかつ電子障壁層１７の第１層目の平均Ａｌ組成及び第２層目の平均Ａｌ組成が、それぞれ関係２を満たしている３５％、２３％となっている。サンプル３は、最終バリア層１６の膜厚が４０ｎｍであり、電子障壁層１７の平均Ａｌ組成が関係１を満たしかつ電子障壁層１７の第１層目の平均Ａｌ組成及び第２層目の平均Ａｌ組成が、それぞれ関係２を満たしている２３％、１１％となっている。

【0139】

比較例１乃至３は、電子障壁層のＡｌ組成を１５%とし、最終バリア層の層厚を夫々１３０ｎｍ、４０ｎｍ、１０ｎｍとしたものである。上述したように、また表２にあるように、最終バリア層の層厚を厚くするに従い、注入効率は下がっていることが分かる。一方で、サンプル１では、最終バリア層１３０ｎｍの場合に比較例１に比べ、注入効率が大幅に改善し、最終バリア層１６の層厚が１０ｎｍと最終バリア層１６が薄い比較例３と同様になることが確認された。

【0140】

上述のように電子障壁層１７のＡｌ組成を上げると、クラックが入りやすくなるので、それを防止するために、電子障壁層１７の活性層１５側に高いＡｌ組成の第１の層、p型半導体層１８側にＡｌ組成の低い層を形成したのがサンプル２及びサンプル３である。サンプル２及びサンプル３の電子障壁層１７全体としての平均Ａｌ組成は３０％とサンプル１と同一としている。

【0141】

サンプル２及びサンプル３では、サンプル１よりも良好な注入効率が得られ、電子障壁層１７を２層とすることでも注入効率の向上の効果は変わらずあり、寧ろ電子障壁層１７のＡｌ組成を均一にするより注入効率が上がることが分かった。

【0142】

なお、サンプル２の結果から、最終バリア層の層厚が１３０ｎｍである場合に、電子障壁層１７の第１の層のＡｌ組成は３５％以上かつ第２の層のＡｌ組成が２３％以上であれば良好な注入効率が得られることがわかる。また、サンプル３の結果から、最終バリア層の層厚が４０ｎｍである場合に、電子障壁層１７の第１の層のＡｌ組成は２３％以上かつ第２の層のＡｌ組成が１１％以上であれば良好な注入効率が得られることがわかる。

【0143】

上記した好ましいＡｌ組成の設定値の関係２、すなわちＹ１＞Ｙ２、Ｙ１≧０．１３Ｘ＋１７．５、かつＹ２≧０．１３Ｘ＋５．５となると電子注入効率が良好に維持されるという関係は、良好な注入効率を示したサンプル２及び３の最終バリア層の層厚と電子障壁層１７の第１の層及び第２の層のＡｌ組成からいえるものである。

【0144】

上述のように、最終バリア層１６の厚さＸｎｍとしＸが４０ｎｍよりも厚くなる場合に、電子障壁層１７のＡｌ組成Ｙ％をＹ≧０．１３Ｘ＋１２．７の関係が成立するようにすることにより、活性層１５への電子注入効率を維持しつつ垂直共振器面発光レーザ１０を構成することが可能となることがわかった。

【0145】

さらに、最終バリア層１６の厚さがＸｎｍの場合に電子障壁層１７をＡｌ組成の異なる２層で形成し、活性層１５に近い第１層目のＡｌ組成Ｙ１％がＹ１≧０．１３Ｘ＋１７．５としかつ、第２層目のＡｌ組成Ｙ２％がＹ２≧０．１３Ｘ５．５とすることで、活性層１５への電子注入効率を維持しつつかつ電子障壁層１７へのクラックの発生を防止しつつ垂直共振器面発光レーザ１０を構成することが可能となることがわかった。

【0146】

なお、電子障壁層１７のクラックは、電子障壁層１７のＡｌ組成が高いほど、層厚が厚くなるほど入りやすくなる。また、電子障壁層の成長温度や結晶成長後の昇温、降温の幅、レートなどにも依存するので、一概には言えないが、例えば電子障壁層１７のＡｌ組成（％）と電子障壁層１７の層厚（ｎｍ）の積が５００％ｎｍ以下とすることで、実用レベルにクラックの発生を低減させることが出来ることが本願発明者に見出されている。すなわち、電子障壁層１７のＡｌ組成をＹ％電子障壁層１７をＺｎｍとした際に、Ｙ×Ｚ≦５００の関係が成立することが好ましいことが本願発明者によって見出されている。

【0147】

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、低閾値電流及び高発光効率の垂直共振器型発光素子を提供することができる。

【0148】

なお、上記した実施例においては、窒化物系半導体を用いた垂直共振器型発光素子について説明したが、他の結晶系の半導体を用いた垂直共振器型発光素子に適用することも可能である。

【0149】

また、共振器を構成する反射ミラーとして半導体ＤＢＲ又は誘電体ＤＢＲを例示したが、これに限定されない。例えば単層の反射ミラー又は回折格子などを用いることもできる。

【0150】

また、本発明の垂直共振器型発光素子は、ＭＯＶＰＥ法を用いて製造する場合を例に説明したが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法などの他の公知の結晶成長法によって製造することができる。

【符号の説明】

【0151】

１０：垂直共振器面発光レーザ
１１：基板
１２：ＤＢＲ（反射ミラー）
１３：ｎ型半導体層
１５：活性層
１５Ｂ：障壁層（バリア層）
１５Ｗ：量子井戸層（ウエル層）
１６：最終バリア層（ＬＢ）
１７：電子障壁層
１８：ｐ型半導体層
２１：絶縁膜
２２：透明導電膜
２４：スペーサ層
２５：ＤＢＲ（反射ミラー）
３１：トンネル接合層
３１Ａ：高不純物濃度のｐ型半導体層
３１Ｂ：高不純物濃度のｎ型半導体層
３２：ｎ型半導体層（第２のｎ型半導体層）
３５：半導体ＤＢＲ

【図1】